外加鎘對水稻鎘吸收、亞細胞分布及非蛋白巰基含量的影響

史靜，潘根興

1. 云南農業大學資源與環境學院，云南 昆明 650201；2. 南京農業大學農業資源與生態環境研究所，江蘇 南京 210095

外加鎘對水稻鎘吸收、亞細胞分布及非蛋白巰基含量的影響

史靜1*，潘根興2

1. 云南農業大學資源與環境學院，云南 昆明 650201；2. 南京農業大學農業資源與生態環境研究所，江蘇 南京 210095

研究不同水稻（Oryza sativa）品種外加Cd處理下鎘吸收特征、PCs（主要是非蛋白巰基）的解毒機制及從微觀水平探尋亞細胞鎘的分布狀況，對了解不同水稻基因型的耐Cd機理有重要意義。通過盆栽實驗研究了不同外加Cd處理對水稻體內Cd的吸收累積、亞細胞分布及非蛋白巰基含量的影響。結果表明，外加Cd脅迫顯著誘導根合成NPT-SH，外加Cd及品種差異對水稻體內Cd的吸收具有不同程度的影響，兩品種相比，不加Cd處理下，品種J196地上部Cd含量/根系Cd含量的比值高于中浙優1號；當外加Cd濃度達到5 mg·kg-1時，品種A根系向地上部轉移的Cd遠高于品種C，分為25.7%和7.4%；但在外加Cd處理達到25 mg·kg-1時，兩品種間無顯著差異。根中NPT-SH的誘導量與水稻根系內Cd的含量變化一致。外加Cd處理下，品種J196根系內NPT-SH含量均高于中浙優1號，從細胞水平上表明中浙優1號可能具有從根系向莖葉的高鎘轉運能力。同時以差速離心法探究Cd在兩雜交水稻品種不同器官的亞細胞分布為根系細胞的Cd大部分存在于細胞壁中，占52.6%～83.2%，少部分存在于細胞可溶部分（細胞質），其鎘含量分布的百分率為3.0%～10.1%，且根系細胞壁中J196的分布率高于中浙優1號；表明J196的根系細胞壁的具有較強的固Cd能力；和對照相比，外加Cd促使中浙優1號根系細胞內可溶物向地上部移動，且高Cd處理下，Cd在中浙優1號細胞內溶物的分配率大于J196，從而在亞細胞水平上推測了品種中浙優1號為高轉運品種的可能機制。

水稻；鎘；非蛋白巰基；亞細胞分布

鎘污染及其生物毒性問題已得到全世界關注。關于植物對Cd的吸收轉運過程和耐性機制受到很大重視。同時，這些植物也能在一定程度上表現出對鎘脅迫的適應性機制。其中一個重要的適應性機制是植物螯合肽解毒機制。植物體內的谷胱甘肽（GSH）、非蛋白巰基（NPT）、植物螯合態（PC）和半胱氨酸（Cys）等可能是植物消除重金屬鎘脅迫的主要成分（Cobbett，2000；孫琴等，2005），有研究報道GSH和Cys在非超積累植物對重金屬的耐性中起著重要的作用（高可輝等，2011)。自1985年Grill發現一組鎘結合多肽，并命名為植物絡合素（Phytochelatins，PCs）以來，PCs的生理功能已受到國際上眾多學者的廣泛關注。PCs是一種富含半胱氨酸的多肽物質，其主要生理功能是絡合金屬（植物微量營養和非必需重金屬）元素，從而減輕或避免過量金屬離子對植物體的傷害。多種金屬和非金屬均能誘導PCs產生，其中Cd是最強的體內誘導因子（Rauser，1995），鎘在植物體內可能主要是以PC-Cd絡合物或者是Cd-GSHx絡合物的形式運輸（Guo和Marschner，1995）。也有研究表明Cd與細胞質內PC相結合形成低分子量復合物，然后經液泡膜上的轉運蛋白運輸至液泡，進而形成對植物毒性很低的富含硫的高分子量復合物貯存于液泡是植物對 Cd的主要解毒機制（Clemens，2006）。因此，PCs作為金屬脅迫下細胞內一項反應敏感的指標受到國際上眾多學者的關注，同時Keltjens和Beusichem（1998）則將PCs的激增作為植物遭受重金屬脅迫的早期預警指標。因此研究不同水稻（Oryza sativa）品種外加Cd處理下的非蛋白巰基的變化，對了解不同水稻基因型的耐Cd機理有重要意義。

與此同時植物總是盡量避免Cd及其它重金屬元素損傷其相對重要的組織、細胞和細胞器，從而表現出選擇性分布。植物從土壤中吸收重金屬后，一般主要集中在根系，再通過根系向植物的各個器官進行轉運分配，但植物根系吸收的Cd比Pb、As等重金屬更易向地上部及子實中轉移。因此，植物根系中Cd的分配可能會影響到其在植物體內的移動性。而開展水稻微觀水平的研究有助于更深入地了解水稻不同品種間對Cd耐性、吸收和累積機理。本研究正是從上述超微結構的觀察入手，采用差速離心分析技術分離水稻各器官各部分細胞器，比較子粒鎘積累不同類型的水稻鎘的亞細胞分布特征，從微觀層次揭示低Cd與高Cd基因型在亞細胞水平上差異的機理，以探討不同水稻品種耐Cd的機制和特點。基于此，本試驗采用土培試驗的培養方法研究了不同外Cd處理下兩個水稻品種體內Cd、巰基蛋白總量以及在亞細胞分布的變化特征，以期研究兩個子粒Cd積累能力相差很大的水稻品種在Cd吸收的第一高峰期苗期對Cd的耐性差異及根系向地上部轉運的差異。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

紅沙泥田，屬紅壤性水稻土，為典型簡育濕潤老成土（Typical Hapludults），采自中國科學院鷹潭紅壤生態實驗站（116°55′E, 28°5′N），第四紀紅黏土母質所發育。該土壤于2007年4月采集，運回實驗室后經風干，磨碎，過5 mm孔徑篩，混勻備用，用于盆栽實驗。另取部分磨碎過1和0.149 mm尼龍篩供基本性質測定。供試土壤的基本理化性質分析結果見表1。

表1 供試土壤的基本性質Table 1 Basic properties of soil

1.2 供試作物

通過前期對我國南方110個栽種雜交水稻品種的篩選研究（Shi等，2009），選取子粒含Cd量差異較大的2個雜交水稻品系：中浙優一號（品種A，子粒高Cd含量品種）和J196（品種C，子粒低Cd含量品種）兩品種的生育期為(150±20) d。

1.3 試驗設計

水稻苗期盆栽試驗于2007年5月中旬─7月中旬在南京農業大學牌樓溫室中進行，采用20 cm×20 cm的塑料缽，每盆裝土3.0 kg，設置3個不同Cd質量濃度處理，分別為0（Cd0）、2.5（Cd1）、5（Cd2）、10（Cd3）、25（Cd4）mg·kg-1（以純 Cd計）。將CdCl2·2.5H2O與去離子水配成母液，逐級稀釋成處理濃度后與過5 mm篩的土壤反復混合均勻，再加入底肥N（0.1 g·kg-1）、P2O5（0.2 g·kg-1）和K2O（0.2 g·kg-1）加水攪成勻漿混勻之后室溫下平衡30 d。水稻于2007年6月17日挑選優質飽滿種子用“浸種靈”按一定比例和溫水混勻成溶液，浸種催芽48 h至種子露白，6月19日取優質露芽種子直接播種，土壤保持濕潤狀態，待幼苗2葉1心時間苗，每盆保留3株，保持淹水層（水層3 cm）。試驗按完全隨機設計，3次重復。7月25日采集植株樣品，分根系和地上部采集，收獲的植物樣品先用自來水多次沖洗，然后用蒸餾水沖洗，吸水紙吸干樣品表面水分，將樣品剪碎混合，分成兩部分，一部分樣品放入烘箱105 ℃殺青30 min，60～70 ℃烘干至恒質量，測定各器官Cd含量；一部分樣品直接分析非蛋白質巰基含量以及測定亞細胞鎘含量。

1.4 測定方法

1.4.1 非蛋白巰基的測定（Keltjens和Beusichem，1998；Rama和Prasad，1998）

稱取水稻鮮樣1.00 g，加2.0 mL 5%（V/V）的SSA（5-磺基水楊酸）（內含6.3 Mmdtpa，pH<1），再加入少許洗凈的石英砂，冰浴研磨混勻，低溫離心（8000 g, 4 ℃）15 min。上清夜冷藏用于TNP-SH的測定。取上清液300 μL放入10 mL玻璃試管中，加630 μL 0.5 mol·L-1的K2HPO4（pH7.5）和25 μL 6.3mmol·L-1的 5, 5′雙二硫（2-硝基苯甲酸）（DTNB），室溫下放置20 min，然后在分光光度計412 nm波長下用分光光度計比色測定。以等量的未加DTNB的溶液作空白調零點，用GSH作標準。

1.4.2 Cd在水稻植株各器官的亞細胞分布

采用差速分級離心技術分離出各器官不同細胞組分（圖1），具體方法如下：植物材料10 g加入 10 mmol·L-1Tris-HCl緩沖液（pH=7.4, 2.5% AsA），冰浴研磨，將勻漿液按圖程序冷凍離心分離出各細胞組分，每步離心前用緩沖液補充至同一體積，所得殘渣和沉淀供分析測定（周衛等，1999；李德明等，2004）。

1.4.3 殘渣及沉淀消煮、測定分析

細胞壁及未破碎殘渣用去離子水洗滌，定量濾紙過濾后60 ℃烘干，加10 mL HNO3-HClO4（4∶1，V/V）混合液，過夜后在200 ℃條件下消煮至澄清，用去離子水定容至25 mL，濾液用原子吸收分光光度計測定Cd含量；細胞器各沉淀用去離子水轉入小燒杯中，在電熱板上蒸干，再加2 mL濃硝酸砂浴消煮至澄清，用去離子水定容至10 mL后測定Cd含量；上清液（細胞內可溶物）主要為提取液，經酸化后直接測定其中的Cd含量。

1.4.4 重金屬Cd的測定

烘干粉碎植株樣品用 4∶1硝酸-高氯酸消化后，用原子吸收分光光譜儀測定。

1.5 統計分析

分析結果進行平均值和標準差統計，統計檢驗采用SPSS for Windows 11.5軟件，顯著性差異水平為P≤0.05。

圖1 差速離心法分離水稻莖葉和根的亞細胞組分Fig. 1 Separation of subcellular fractions of stem and root in rice with differential centrifugation

2 結果與分析

2.1 外加Cd對水稻體內含Cd量的影響

從植株含Cd量的結果來看，不管何種外加Cd條件下，植物吸收的Cd絕大部分積累在根部，根系Cd含量變化于1～63 mg·kg-1范圍內，約是莖葉含Cd量的3～15倍。各處理間差異顯著，隨著外加Cd處理濃度的提高，根中Cd含量顯著增加，兩品種間根系含Cd量差異顯著，中浙優1號變化于6～35 mg·kg-1范圍內，J196變化于25～63mg·kg-1，且中浙優1號在外加Cd處理達到10 mg·kg-1（Cd3）時達到最高含量值。這表明外加Cd處理下，不同的水稻品種對鎘的吸收能力是不同的。當外加Cd濃度過高，如本實驗外加Cd的最高水平（25 mg·kg-1）時，可能抑制了中浙優1號對Cd的吸收，或者是促進了根部Cd向地上部的轉運。而J196卻隨著外加Cd的升高根系含Cd量也顯著增加。兩品種水稻幼苗莖葉中含Cd量的變化，可以看出隨著外加Cd濃度的增加，兩品種水稻幼苗莖葉中鎘含量也表現為和根系Cd含量變化相似的增加趨勢。

表2 不同Cd水平水稻體內根及地上部Cd含量Table 2 Cd contents in shoots and roots of rice

從表2中可看出兩品種相比，不加Cd處理下，J196地上部Cd含量與根系Cd含量的比值高于中浙優1號；當外加Cd濃度達到5 mg·kg-1時，中浙優1號根系向地上部轉移的Cd遠高于J196，兩者地上部與根系Cd含量之比分為25.7%和7.4%；但在外加Cd處理達到25 mg·kg-1時，兩品種間差異不大。這說明在此生育期，在不加Cd處理下，J196根系向地上部轉運的Cd高于中浙優1號，但當外加Cd在一定濃度范圍內提高時，中浙優1號由于自身的高轉運特性，向地上部的轉運Cd的能力超過J196。

2.2 外加Cd對水稻體內非蛋白巰基含量的影響

植物體內的非蛋白巰基（Non-protein thiol, NPT）包括植物螯合多肽（PCs）、谷光甘肽（GSH）等物質。這些物質與重金屬脅迫有密切關系。從圖2中可看出，外加Cd處理顯著增加了水稻植株根系NPT的含量。且J196根系NPT含量顯著高于中浙優1號。和不加Cd處理相比，外加Cd處理下的水稻根中NPT含量約是不加Cd處理的1～2倍左右。莖葉中NPT含量顯著低于根系中NPT的量，約為根中NPT的20%～30%左右。對于J196而言，外加Cd同樣也顯著提高了莖葉中NPT含量，而中浙優1號莖葉NPT含量在不同外加Cd處理下沒有明顯規律可循。但總體而言，除了不加Cd處理，中浙優1號莖葉NPT高于J196外，其余外加Cd處理下，J196莖葉NPT也高于中浙優1號。

圖2 不同濃度Cd對兩品種水稻植株不同部位NPT含量(鮮質量)變化的影響Fig. 2 Effect of Cd on NPT in different part of two rice at seeding period

2.3 不同Cd處理下水稻體內Cd亞細胞分布

2.3.1 不同Cd處理下水稻地上部Cd亞細胞分布

從表3可以看出，兩品種地上部各細胞器組分中的Cd含量隨著外加Cd濃度提高沒有顯著變化。兩品種比較，不加Cd處理下中浙優1號細胞器含量高于J196，細胞壁和細胞內可溶物之間沒有顯著差異。當外加Cd處理達到25 mg·kg-1時，J196細胞壁 Cd含量高于中浙優 1號，細胞內可溶物中

Cd含量卻低于J196。從各細胞器組分分配率上看，任意Cd濃度處理下，Cd主要分布在兩個品種的細胞壁中，占到各細胞組分的 31.2%～51.5%，不加Cd處理和加Cd 25mg·kg-1下，中浙優1號的Cd在細胞壁中分配率小于 J196。而在加 Cd 5 mg·kg-1下，中浙優1號的Cd在細胞壁中分配率高于J196。

表3 水稻地上部各亞細胞組分Cd含量及分配率Table 3 Cd contents and distributions of subcellular fractions in shoots of rice

表4 水稻根系各亞細胞組分Cd含量及分配率Table 4 Cd contents and distributions of subcellular fractions in roots of rice

2.3.2 不同Cd處理下水稻根系Cd亞細胞分布

根系各亞細胞組分中的Cd含量水平隨品種、外加Cd處理不同而變化。從表4可以看出，兩品種根系各亞細胞組分中的Cd含量隨著外加Cd濃度的升高而顯著增加。兩品種間各亞細胞組分在不同外加 Cd處理下表現不同。不加 Cd處理時，J196細胞壁內Cd含量顯著高于中浙優1號，但細胞器和細胞內溶物中Cd含量在兩品種間無顯著差異。當外加Cd為5 mg·kg-1時，J196細胞壁和細胞器中Cd含量顯著高于中浙優1號，細胞內溶物中的Cd則在兩品種間無顯著差異。從各亞細胞組分組分分配率上看，任意Cd濃度下，Cd主要分布在兩品種的細胞壁上，且加Cd處理下的Cd分配比例高于不加Cd處理。其次是細胞器中的Cd含量，而細胞內溶物的Cd含量最少。任意Cd處理下，各亞細胞組分的分配率均表現為，中浙優1號Cd在細胞壁中分配率小于J196，而細胞器和細胞內溶物中Cd的分配率大于J196。

3 討論

3.1 外加鎘對水稻非蛋白巰基的影響

植株體內NTP含量的產生與金屬的濃度有關，其合成水平的高低與細胞內脅迫金屬的數量存在顯著的正相關關系，認為胞內PCs的誘導量可反映金屬的實際毒性（Sneller等，1999）。本實驗中不同外加Cd處理下兩品種水稻植株體內（根系、莖葉）Cd含量差異明顯，但Cd主要集中在根系。對于兩品種而言，J196根系Cd含量遠高于中浙優1號；莖葉Cd含量除了不加Cd處理下二者無顯著差異外，其他處理下J196均顯著高于中浙優1號。而此時，水稻植株體內的NPT含量則表現出：兩品種NPT含量主要集中在根系，且外加Cd下，根中NPT含量約是不加Cd處理的1～2倍左右。說明Cd對NPT的誘導能力與水稻Cd的含量變化存在一定的響應關系，尤其表現在根系。外加Cd處理下，J196根系內NPT-SH含量均高于中浙優1號，這可能有助于前者體內的鎘從根向地上部運輸，這正從細胞水平上表明 J196可能具有從根系向莖葉的高轉運能力。細胞水平上NPT-SH的誘導程度與Cd積累量相比可能是兩品種Cd耐性差異機制之一。

類似結果也出現在玉米（Keltjens和Beusichem，1998）和小麥（孫琴等，2004；孫琴等，2005）等多種植物體內。可見，細胞水平上PCs的誘導程度可以更好反映Cd的生物毒性。Guo和Marschner（1995）報道，鎘在植物體內可能主要是以PC-Cd絡合物或者是Cd-GSHs絡合物的形式運輸，鎘脅迫時，許多植物如大豆、煙草、番茄、土豆及玉米，其γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶活性明顯增強，這些NPT物質與鎘絡合形成絡合物數量增加，從而促進Cd從根系向地上部的轉運。Hsu和Kao報道（2003），用10～50 μmol·L-1鎘處理水稻幼苗6 d后，耐性強的水稻品種TNG67其葉綠素和蛋白質含量沒有明顯的變化，而鎘敏感品種TN1其葉綠素和蛋白質含量都出現顯著的下降。因此植物體內高PC或高GSH含量可能有助于鎘從根向地上部的轉運。因此，植物體內高TNP-SH含量可能有助于鎘從根向地上部的轉運。

對于同種作物的不同品種而言，Florijn和Van Beusichem（1993）發現高Cd玉米根中PC的濃度遠高于低Cd玉米，因而前者地上部的Cd含量遠高于后者。王芳等（2010）采用鎘（Cd）耐性不同的水稻品種N07-6和N07-63，通過室內水培試驗，比較了50 μmol·L-1Cd脅迫下水稻的非蛋白巰基（NPT）的差異。結果表明，Cd脅迫誘導了兩個品種NPT含量的增加，N07-63的增幅顯著高于N07-6。高可輝等（2011）結果表明：Cd脅迫明顯抑制了水稻生長，顯著誘導了巰基物質[非蛋白巰基（NPT）、谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PC）]的合成，在一定程度上減輕了Cd的毒性效應。原海燕等（2013）采用溶液培養研究Pb脅迫以及Pb脅迫下添加外源谷胱甘肽（GSH）和丁胱亞磺酰胺（BSO）對馬藺根和葉非蛋白巰基總肽（NPT）含量的影響。結果表明Pb脅迫下添加BSO后馬藺生物量的下降可能與非蛋白巰基化合物合成受抑降低有關。

3.2 外加鎘條件下對鎘在水稻亞細胞分布的影響

進行Cd亞細胞分布的研究有利于從細胞水平上深入研究Cd對植物的毒害和耐受機制。而目前對Cd在植物體內的細胞行為還不十分清楚，但細胞壁沉積和液泡區室化作用是植物對重金屬解毒的重要途徑（Wang等，2008）。李德明等（2004）研究發現在小白菜的亞細胞結構中，Cd主要分布在細胞可溶性成分、細胞壁和葉綠體中，細胞核、線粒體和核糖體中Cd分布量較少。Hall（2002）認為，Cd在植物細胞內除由細胞壁部分吸附外，大部分的Cd積累于液泡，使植物細胞免除毒害。在各亞細胞組分中，Cd都隨著溶液中 Cd濃度的增加而增加（Ramos等，2002）。萬敏等（2003）對小麥的兩個不同品種的研究表明，在其根和葉片細胞中，Cd大部分存在于細胞可溶部分（細胞質部分），占總量的58.5%～66.8%，少部分存在于細胞不溶部分（細胞器和細胞壁部分）。楊居榮等（1993）在對小黑麥、玉米、大豆和黃瓜4種盆栽試驗的結果也表明，Cd在 4種作物根細胞中的分布均以可溶性組分所占比例最高，可達 58%～70%。冉文靜等（2010）指出復合投加gallic acid和SDS可以增強黑麥草對Cd的區室化作用和細胞壁沉積作用。潘秀等（2012）也通過盆栽實驗分析了Cd、Zn在互花米草中的亞細胞分布，細胞壁是主要分布部位。這些結果上的差異，可能是因為試驗中不同的Cd濃度及試驗作物耐Cd性的不同而致。

試驗結果表明，Cd處理下，2水稻品種的根系細胞的 Cd大部分存在于細胞壁中，占 52.6%～83.2%，少部分存在于細胞可溶部分（細胞質），其鎘含量分布的百分率為 3.0%～10.1%，且根系細胞壁中J196的分布率高于中浙優1號。說明J196的根系細胞壁的固Cd能力較強。可能的原因是和中浙優1號相比，J196的根細胞壁具有大量的陽離子配位基團并且含有大量的能吸附Cd離子的非可溶性物質。隨著Cd處理升高，二者的差異減小，外加Cd使更多的Cd積累在根系，中浙優1號細胞壁的固鎘能力提高。根細胞中鎘的亞細胞分布會影響鎘在植物體內的移動性，這一假設已經在對不同作物的研究中得到驗證。對于細胞內可溶物中的Cd而言，和不加Cd處理下J196根系的細胞內可溶物占根中總Cd的分布百分率高于中浙優1號相比，這一點很好的解釋了J196地上部Cd含量高于中浙優1號的事實。隨著外加Cd升高，中浙優1號表現出高于J196的趨勢，在此情況下的中浙優1號細胞質中較高Cd含量及其占根中各亞細胞組分較高，增加了Cd從根系由木質部向地上部移動的可能性，這一點正好說明中浙優1號加Cd下地上部與根系Cd含量的比值升高這一事實。

兩水稻品種地上部細胞壁Cd分配率隨著外加Cd濃度升高而出現先升高后降低，說明外加Cd處理，兩品種吸收的C在細胞壁上累積較多，這因為細胞壁是Cd進入植物的第一層屏障，體現了細胞壁保護原生質體免受 Cd傷害的功能。當外加 Cd到一定程度時，各品種自身就開始表現出不同的耐Cd差異，如在本試驗中當外加Cd達到25 mg·kg-1時，J196的細胞壁及細胞內溶物組分Cd含量均顯著高于中浙優1號，在細胞器中兩品種沒有顯著差異，說明在此外加Cd濃度下有更多的Cd進入中浙優1號的細胞壁和細胞內溶物內。在此外加Cd濃度下，和不加Cd、低Cd濃度相比，Cd在中浙優1號細胞內溶物的分配率增高11.5%～17.2%，J196只增高8.9%～12.2%，表明外加Cd處理下會促使中浙優1號中Cd在葉片中細胞內溶物的分配百分率，這樣則增加了中浙優1號葉片中Cd由韌皮部運往子粒的可能性，也從亞細胞水平上說明了中浙優 1號為高轉運品種的可能機制。因此根系、地上部Cd的積累量并不能作為判斷一個品種是否耐Cd的標志，Cd在亞細胞組分中的分配比例似乎更重要，不同亞細胞組分對Cd的固定可能才是品種自身的耐Cd機制所在。

4 結論

（1）外加Cd對水稻體內非蛋白巰基（NPT-SH）的誘導量與水稻體內Cd的含量變化存在一定的響應關系，尤其表現在根系。兩品種根系NPT-SH含量的差異響應了二者體內Cd從根系向莖葉運輸能力的差異。

（2）外加Cd影響到不同品種水稻體內Cd在根系、葉片內細胞壁、細胞內溶物中含量及分配率變化。Cd脅迫下超級稻品種根系、葉片中細胞內溶物分配百分率升高的現象從亞細胞水平上解釋了該品種為籽粒高轉運、分配品種的可能機制。

CLEMENS S. 2006. Toxic metal accumulation responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants [J]. Biochimie, 88(11): 1707-1719.

COBBETT C S. 2000. Phytochelatins and their roles in heavy metal detoxification [J]. Plant Physiology, 123(3): 825-832.

FLORIJN P J, VAN Beusichem M L. 1993. Uptake and distribution of cadmium in maize inbred lines [J]. Plant and Soil, 150(1): 25-32.

GUO Y T, MARSCHNER H. 1995. Uptake, distribution and binding of cadmium and nickel in different plant species [J]. Journal of Plant Nutrition, 18(12): 2691-2706.

HALL J L. 2002. Cellular mechanisms for heavy metal detoxification and tolerance [J]. Journal of Experimental Botany, 53(366): 1-11.

HSU Y T Y, KAO C H. 2003. Changes in protein and amino acid contents in two cultivars of rice seedings with different apparent tolerance to cadmium [J]. Plant Growth Regulation, 40(2): 147-155.

KELTJENS W G, BEUSICHEM M L. 1998. Phytochelatins as biomarker for heavy metal stress in maize (Zea mays L.) and wheat (Triticum aestiv um L.): Combined effects of copper and cadmium [J]. Plant Soil, 203(1): 119-126.

RAMA DEVI S，PRASAD M N V. 1998. Copper toxicity in Ceratophyllum demersum L. a free floating macrophyte: Response of antioxidant enzymes and antioxidants [J]. Plant Science, 138(2): 157-165.

RAMOS L, ESTEBAN E, LUCENA J J, et al. 2002. Cadmium uptake and subcellular distribution in plants of Lactuca sp. Cd-Mn interaction [J]. Plant Science, 162(5): 761-767.

RAUSER W E. 1995. Phytochelatins and related pep tides [J]. Plant Physiology, 109(4): 1141-1149.

SHI J, PAN G X, LI L Q. 2009. Variation of Cd and Zn concentrations in rice grain of 110 hybrid rice cultivars grown in a low-Cd paddy soil from South China [J]. Journal of Environmental Sciences, 21(2): 168-172.

SNELLER F E C, NOORDOVER E C M, TEN BOOKUM W M, et al. 1999. Quantitative relationship between phytochelatin accumulation and growth inhibition during prolonged exposure to cadmium in S ilene vulgaris [J]. Ecotoxicology, 8(3): 167-175.

WANG X, LIU Y, ZENG G, et a1. 2008. Subcellular distribution and chemical forms of cadmium in Bechmeria nivea(L.) Gaud. [J]. Environmental and Experimental Botany, 62(3): 389-395.

高可輝, 葛瀅, 張春華. 2011. 缺硫對鎘脅迫下水稻幼苗非蛋白巰基物質含量和谷胱甘肽硫轉移酶活性的影響[J]. 應用生態學報, 22(7): 1796-1802.

李德明, 朱祝軍. 2004. 鎘在不同品種小白菜中的亞細胞分布[J]. 科技通報, 20(4): 278-282.

潘秀, 石福臣, 劉立民, 等. 2012. Cd、Zn及其交互作用對互花米草中重金屬的積累、亞細胞分布及化學形態的影響[J]. 植物研究, 32(6): 717-723.

冉文靜, 傅大放. 2010. Gallic acid 和SDS對黑麥草體內重金屬亞細胞及形態分布的影響[J]. 環境科學學報, 30(11): 2264-2269.

孫琴, 王曉蓉, 袁信芳, 等. 2004. 有機酸存在下小麥體內Cd的生物毒性和植物絡合素(PCs)合成的關系[J]. 生態學報, 24(12): 2804-2809.

孫琴, 袁信芳, 王曉蓉. 2005. 環境因子對小麥體內鎘的生物毒性和植物絡合素合成的影響[J]. 應用生態學報, 16(7): 1360-1365.

萬敏, 周衛, 林葆. 2003. 鎘積累不同類型的小麥細胞鎘的亞細胞和分子分布[J]. 中國農業科學, 36(6): 671-675.

王芳, 丁杉, 張春華, 等. 2010. 不同鎘耐性水稻非蛋白巰基及鎘的亞細胞和分子分布[J]. 農業環境科學學報, 29(4): 625-629.

楊居榮, 鮑子平, 張素芹. 1993. Cd、Pb在植物細胞內的分布及其可溶性結合形態[J]. 中國環境科學, 13(4): 263-268.

原海燕, 郭智, 佟海英, 等. 2013. Pb脅迫下外源GSH對馬藺體內Pb積累和非蛋白巰基化合物含量的影響[J]. 水土保持學報, 27(4): 212-216.

周衛, 汪洪, 林葆. 1999. 鈣對脅迫下玉米鎘的亞細胞分布及葉綠體超微結構與光合作用酶活性的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 5(4): 335-340.

Effects of Cd-spiking Treatment on Cd Accumulation, Subcellular Distribution and Content of Nonprotein Thiols in Rice

SHI Jing1*, PAN Genxing2
1. College of resources and environment of Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2. Institute of Resources, Ecosystem and Environment of Agriculture, NanjingAgricultural University, Nanjing 210095, China

In China, Cd concentration in croplands and subsequent accumulation in crops has been increased as a result of soil polltuion due to human activities such as mining, emission from industry and application of sewage sludges, which is posing potential public health risk for human through dietary intake. Among the major staple crops, rice (Oryza sativa L.) is the particular food crop with high Cd uptake and accumulation in grains. There had been much evidences of differences in Cd accumulation in plants and plant tolerance to between rice species and genotypes. Meanwhile, Cd tolerance and low Cd accumulation in grains may be used as a strategy for low Cd rice production. However, the mechanisms involved in Cd tolerance and grain accumulation has been not clearly demonstrated. Studying cadmium absorption characteristics under different rice varieties with Cd contaminated soil, the detoxification mechanism of PCs (mainly Non-protein thiol) and from micro level explore the distribution of cadmium subcellular. Its has huge significance to understand the resistance mechanism of Cd in different rice genotypes. In an effort to understand the biological process of Cd bioaccumulation, a pot experiments with subcelluar fractionation were carried out to investigate the subcelluar distribution of Cd in roots and leaves of rice. Two rice cultivars, Zhongzheyou-1, a high grain Cd accumulation cultivar, and J196, a low Cd accumulating cultivar, were grown in red soils. The experiment was conducted to study the effect of Cd-spiking treatment on Cd content, nonprotein thiols (NPT) production and its subcellular distribution in rice. The results showed that Cd stress had significant inhibitory effects on NPT overproduction. The Cd uptake of rice was affected by the Cd-spiking treatment and the genotypes. Furthermore, the Cd content was enhanced with increasing Cd supply, coinciding with the enhancement of NPT level in root. Compared the two varieties, when soil without Cd. The ratio of J196 aboveground Cd content/root Cd content is higher than Zhong-Zhe Optimal number 1; when the soil Cd content was 5 mg·kg-1, the amount of root A transform Cd to aboveground is far more than C, respectively 25.7% and 7.4%; but when the soil Cd content was 25 mg·kg-1, there was no significant difference between the two varieties. Root NPT contents of J196 was more than those of Zhongzheyou-1, suggested that Zhongzheyou-1 has the higher Cd transfer level from root to stem compared to J196. At the same time, there was a genotypic difference of Cd concentrations among two cultivars. Cd concentrations in different plant parts followed the rank of root>leaf. Cd was mainly distributed in the cell wall, about 52.6%～83.2%, and less distributed in the fractions of cell soluble component with distribution rate of 3.0%～10.1%. The phenomenon of J196 Cd cell wall distribution rate was higher than Zhongzheyou-1 showed that the cell wall compartmentation of J196 is stronger contract to Zhongzheyou-1; in the condition of Cd-spiking, it promoted root cell soluble component of Zhongzheyou-1 transferring to shoot via xylem. Under high Cd supply, Zhongzheyou-1 possessing the increase degree of Cd distribution in cell soluble component compared to J196, which possibly resulted in lower in stem and more Cd traslocation from shoot to grain via phloem.

rice; Cd; NPT; subcelluar distribution

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.020

X171.5

A

1674-5906（2015）05-0853-07

史靜，潘根興. 外加鎘對水稻鎘吸收、亞細胞分布及非蛋白巰基含量的影響[J]. 生態環境學報, 2015, 24(5): 853-859.

SHI Jing, PAN Genxing. Effects of Cd-spiking Treatment on Cd Accumulation, Subcellular Distribution and Content of Nonprotein Thiols in Rice [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 853-859.

云南省應用基礎研究計劃項目（2013FB043）；國家自然科學基金項目（41301349）

史靜（1980年生），女，副教授，碩士生導師，主要從事土壤-作物鎘遷移與防控研究。E-mail:383110966@qq.com *通信作者。

2014-10-27